玛纳斯河流域水资源-生态-经济复合系统的安全评价

李鹏飞，杨广，李小龙，杨明杰，陈东，王杰

（现代节水灌溉兵团重点实验室，石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子，832003）

近年来，随着玛纳斯河流域人口的增加以及经济的快速发展，水资源和生态环境问题日益突出；因此，实现玛纳斯河流域内的水资源-生态-经济复合系统协调稳定的可持续发展迫在眉睫。1995年，冯尚友从实证论和系统论上论证了水资源-生态-经济复合系统的客观存在[1]，水资源-生态-经济复合系统是指以水资源系统为基础的生态系统和经济系统相互交织、相互作用、相互耦合的复合系统。水资源-生态-经济复合系统与单一系统的主要区别在于其具有自然、社会、经济和人文属性的综合效应。复合系统的安全评价将为区域可持续发展提供合理的决策依据[2]。

国外学者对水资源-生态-经济复合系统安全的评价主要侧重于某个方面，并建立了各种模型，如区域计划多方案拟模型[3-4]、生态模拟和经济优化综合模型[5]、环境经济决策与多目标规划模型[6]、通用平衡模型等[7]。1965年，美国加利福尼亚大学的查德发表了题为《模糊集合》的论文，标志着模糊数学理论的诞生，并很快在模糊理论的基础上产生了模糊综合评判法[8]；20世纪70年代美国匹兹堡大学教授沙提提出层次分析法[9]；1978年，美国 A.Charnes和 W.W.Cooper等人首先提出了 DEA方法[10]；1981年，Hwang和 Yoon提出了逼近理想点的排序方法[11]；澳大利亚联邦科学和工业研究组织（CSIRO）学者从环境背景、环境变化、经济变化趋势三方面建立了一种量化的评估流域环境质量的安全指标；联合国经济合作开发署（OECD）建立的压力-状态-响应框架模型（PSR）被广泛应用于生态系统安全的研究中，这一框架使得系统之间的因果关系更加清晰且便于研究。

系统安全思想在20世纪90年代被引入我国，受到国内学者的关注并且成为热点问题。系统评价的方法主要可分为定量分析评价和定性与定量结合的分析评价两大类，其中后者使用较为广泛。具体方法有线性规划法、数据包络分析法、层次分析法等。史正涛等[12]运用边际效益递减原理对昆明市水安全进行评价；王业耀等[13]分析了广泛应用的几类评价方法的特点、应用前景、发展过程、阶段性研究进展和应用案例，为河流生态质量评价体系的建立及发展方向提供建议和参考；郑德凤等[14]提出基于熵值法和熵权理论改进的突变模型，评价方法科学合理且结果客观准确；焦珂伟等[15]构建了基于水质与生物指标两个方面的水生态系统健康评价指标体系，辅以综合污染指数法计算出各样点的健康评价得分，对松花江流域的水生态系统健康进行综合评价；李朦等[16]建立统筹经济、社会、生态环境和再生水资源价值4个方面的评价指标体系，采用专家调查法和熵权法相结合的方法确定各评价指标的权重，采用模糊综合评判法及层次分析法对评价结果进行校验；左其亭等[17]回顾梳理了我国水资源系统研究的发展历程，在对研究方法对比分析的基础上，把水资源相关评价计算方法分为经验公式法、综合评价法、系统分析法三大类。

本文通过构建玛纳斯河流域水资源-生态-经济复合系统安全评价指标体系，采取定性与定量结合的层次分析法和“边际效益递减”原理综合评价玛纳斯河流域水资源-生态-经济复合系统的安全程度，可为区域可持续安全发展提供科学依据。

1 水资源-生态-经济复合系统安全评价指标体系

1.1 玛纳斯河流域概况

（1）水资源概况。玛纳斯河流域位于天山北麓，准噶尔盆地南缘，总面积3.05×104km2，地势南高北低。自东向西分别有塔西河、玛纳斯河、宁佳河、金沟河、巴音沟河6条内陆河，水资源量山区多余平原，东部多于西部，由南向北流入准噶尔盆地。各河流的主要补给水源为冰川积雪，天山山区高、中山区降水也为各河流的径流量提供了另一补给水源[18]。地下水主要以潜水为主，埋深在10-50m，通过河流及渠道渗漏、田间入渗、春季融水入渗、平原水库入渗和降水入渗补给[19]。

（2）生态概况。玛纳斯河流域在近50年内大力发展农、牧、工业和人工绿洲生态，最大限度利用了干旱区的水资源，有效改变了自然面貌。2015年玛纳斯河流域灌溉面积达31.33万 hm2，其中农业灌溉用水占总用水量95%，工业和生产用水占5%。玛纳斯河流域的生态环境发展为人类提供了良好的生存条件[20]。

（3）社会经济概况。玛纳斯河流域在50年内，人口数量从最初的5.5万增长至现在的100万人；粮食产量从1949年往后50年增加约3倍之多[21]；流域国内生产总值从0.1亿元增长到610.40亿元，特别是2005年之后经济发展速度大幅增长。2014年流域的第一产业增加值为231亿元，第二产业和第三产业的增加值分别为229亿元和183亿元[22]。

1.2 评价指标

水资源-生态-经济复合系统安全评价指标体系构建遵循以下原则[23]：

（1）整体性原则。指评价指标为一个完整的体系，服务于整个系统，应该针对各个方面综合考虑，同时也要避免体系过度庞大和复杂。

（2）科学性原则。指评价指标体系要建立在科学分析的基础上，能真实反应系统的安全状况和本质特征，从而使评价结果具有真实性和客观性。

（3）动态性原则。指系统的发展是变化的，构建的评价指标体系需要反应出系统不同时期的发展特点，同时也能指示未来的发展情况。

（4）简明性和现实性原则。指所选指标应该概念明确且容易获取，同时也要实用和易于理解。

根据以上4个原则，再结合系统分析的同类指标体系[24-26]选定的水资源-生态-经济复合系统评价指标如表1所示。

表1 系统评价指标选取表Tab.1 Selection of system evaluation index

1.3 权重的确定

本文系统评价采用层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）进行权重的计算。它是一种有效多目标规划方法，也是一种最优化技术，是定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法[27]。将玛纳斯河流域水资源-生态-经济复合系统分成三个组成部分，分别是水资源子系统、生态子系统和经济子系统，每个子系统为一个层次，各层次之间互不相交，见表1。建立玛纳斯河流域递阶层次结构之后，再以目标层元素A为准则，对下一层次C1、C2、C3起支配作用，采纳借鉴一些经验丰富学识渊博的专家做出分析，针对目标层元素A下一层次的其中两个元素Ci和Cj哪一个比较重要，重要程度的表示如表2所示。指标层和准则层的关系同理。

表2 程度数值比例标度表Tab.2 Degree valuescale

指标层所有因素Pi对于目标层A相对重要性的权值计算称为层次总排序。这个过程是从目标层A到指标层P进行的。准则层C的n个因素对目标层A的排序为a1，a2，a3…an；指标层P的m个因素对准则层Ci的单层次排序为b1，b2，b3…bn；指标层P的层次总排序，即指标层第i个因素对目标层的权值为ai·bi.层次总排序计算结果见表3。

表3 层次总排序表Tab.3 Hierarchical total ordering

2 水资源-生态-经济复合系统安全评价

2.1 评价模型

本文采用“边际效益递减”原理来分析各指标对整体系统的影响[28]。“边际效益递减”原理是经济学的一种基本原理，是指在短期生产过程中，在其他条件不变（如技术水平不变）的前提下，增加某种生产要素的投入，当该生产要素投入数量增加到一定程度以后，增加一单位该要素所带来的效益增加量是递减的，边际收益递减规律是以技术水平和其他生产要素的投入数量保持不变为条件进行讨论的一种规律。

评价指标体系的所有指标可以分为三大类，各类指标有着不同的评价模型。第1类指标是越大越优曲线型指标，这类指标的评价模型由于其边际效益变化规律采用的是幂函数[29]：

第2类指标类型是越小越优曲线型，该指标的评价模型根据边际效益变化规律采用的幂函数是[29]：

第3类指标是直线型指标，其评价模型采用一次函数[29]：

根据国内外公认的水安全评价标准并结合专家的建议，参考近年来的流域社会人口和经济发展实际情况，充分考虑近年来流域的社会经济发展与生态环境及水资源的关联性，确定指标的评价核算标准，代入模型中得出系数a和b值，由此确定系统安全评价模型[26，30]。

表4 系统安全评价模型Tab.4 System safety evaluation model

2.2 评价标准

根据玛纳斯河流域实际情况，结合国际标准和国家标准、综合分析相关研究成果及历史资料，本文将玛纳斯河流域的水资源-生态-经济复合系统安全评价标准分为5个等级：Ⅰ级（非常安全）、Ⅱ级（安全）、Ⅲ级（基本安全）、Ⅳ级（不安全）、Ⅴ级（非常不安全）。根据国家标准和流域的生态类型特征及经济发展状况，评价指标分级标准的范围和具体描述见表5。

表5 安全状态分级表Tab5 Safety status classification table

2.3 安全评价指数

将流域各指标各年的数值带入其对应的指标评价模型中，求得该年指标相应得分y。结合各子系统内指标的权重，根据公式（4）计算出各子系统各年的安全评价指数[30]。

复合系统的安全评价需要结合各子系统的权重，再通过公式（5）对子系统安全评价指数加权求和，计算出玛纳斯河流域水资源-生态-经济复合系统各年的安全评价指数[30]。

计算结果见表6。

表6 流域各评价指标得分情况Tab.6 Evaluation index scores of River Basin

续表6

3 系统评价结果与分析

3.1 子系统评价

在玛纳斯河流域水资源-生态-经济复合系统的3个子系统中，水资源子系统C1所占的权重为0.64，经济子系统C2所占的权重为0.26，而生态子系统C3所占的权重为0.10。由于准则层中水资源子系统C1的对目标层的权重最大，所以其包含的指标对目标层的权重也相对整体较大；而经济子系统C2中人均GDPP6最大，说明该指标在经济子系统中对目标层的影响比较明显；生态子系统C3在3个子系统中对目标层的权重所占最小，但是其包含的生态环境用水率P10对目标层的权重却很高，说明生态环境用水率在总系统中占有一个比较重要的地位，有着较为明显的影响效果。

经过评价指数的计算，根据安全状态的分级标准可知：

（1）水资源子系统C1和生态子系统C3都处在Ⅱ级（不安全）的状态之中，并且水资源子系统C1的安全评价指数还呈现出一个持续下降的趋势。其主要原因是玛纳斯河流域的人均水资源量和人均日生活用水量都在逐年下降，而水资源的开发利用率却持续升高，这导致水资源子系统C1的安全状态呈现下降的趋势；而生态子系统C3虽然处在Ⅱ级（不安全）的状态中，由于玛纳斯河流域的植被覆盖率和污水处理率在逐年上升，所以总体呈现一个上升的趋势。

（2）经济子系统C2的安全状态较好，从2000年的Ⅱ级（不安全）上升到2015年的Ⅳ级（安全），并且上升趋势明显涨幅较大。究其原因主要是由于近年来玛纳斯河流域大力发展经济，城市化率和人口密度等相关指标也是呈现一个持续增长的状态。

（3）对于水资源子系统C1存在的问题，应当采取相应的保护措施，出台相关的保护规定，规范水资源的开发利用，改善其安全状态；过低的水价是引发水资源问题的主要原因之一，可以制定合理的水价进行水资源管理[31]，同时也要兼顾生态环境的保护与治理，争取做到个子系统间协调发展。

图1 各子系统安全评价指数Fig.1 Safety evaluation index of each subsystem

3.2 水资源-生态-经济复合系统评价

在玛纳斯河流域水资源-生态-经济复合系统指标体系中，对本文选取的10个指标通过层次分析法计算结果如下：

（1）人均水资源量P1所占权重最大且与第二相差较远，为0.41；水资源开发利用率P2所占权重第二，为0.15；指标人均GDPP6所占权重排名第三，为0.11。

（2）比例在前 6位的是人均水资源量P1（权重0.41）、水资源开发利用率P2（权重0.15）、人均GDPP6（权重 0.11）、城市化率P4（权重 0.08）、人均日生活用水量P3（权重0.08）、生态环境用水率P11（权重0.07）。

通过评价指数的计算结果（图2）可知：

（1）玛纳斯河流域水资源-生态-经济复合系统从2000年-2015年一直处在Ⅱ级（不安全）的状态。

（2）2005年系统的安全状态最差，从2005年后，系统的安全评价指数呈现出一个上升的趋势，且上升幅度很大。造成这种趋势的原因是：经济子系统C2和生态子系统C3的安全评价指数都是上升的趋势，对复合系统具有一定的影响，而水资源子系统C1的下降趋势使得复合系统的增长幅度相对较缓。虽然复合系统安全评价指数整体呈现上升趋势，但是仍然需要对水资源子系统C1方面进行大力保护，包括提高用水效率加强节水、加强水资源规划管理、污水资源化等措施；同时维持经济子系统C2和生态子系统C3的稳定增长，确保各子系统之间相互协调发展。

图2 玛纳斯河流域水资源-生态-经济复合系统安全评价指数Fig.2 Manas River Basin water resources-ecoeconomic complex system safety evaluation index

4 结论与讨论

通过本文对玛纳斯河流域水资源-生态-经济复合系统安全评价的计算与分析取得了以下结论：

（1）本文采用的研究方法和原理可靠有效，建立玛纳斯河流域水资源-生态-经济复合系统安全评价指标体系，将玛纳斯河流域水资源-生态-经济复合系统分为水资源子系统、生态子系统和经济子系统，选定的10个指标建立评价指标体系能代表流域情况进行评价，具有一定的现实意义和学术价值，可为区域可持续安全发展提供科学依据。

（2）玛纳斯河流域水资源-生态-经济复合系统中水资源子系统、生态子系统和经济子系统权重分别为0.64、0.26和0.10，表明水资源为该流域复合系统影响占主导作用。

（3）2000年、2005年、2010年和 2015年的水资源子系统C1安全状态很差并且呈现持续下降趋势；生态子系统C3安全状态较差但呈现上升趋势

（4）经济子系统C2安全状态由不安全变为安全并且有大幅上升的趋势。计算得出玛纳斯河流域水资源-生态-经济复合系统2000年、2005年、2010年和2015系统都处在Ⅱ级（不安全）的状态，其中2005年安全状态最差，从2005年往后开始呈现上升的趋势且上升幅度较大。

5 对策

玛纳斯河流域水资源-生态-经济复合系统安全的主要问题是：水资源可持续利用水平下降、水资源利用结构不合理、水资源管理难以协调和缺少民主参与等问题。

本文针对这些问题提出的对策如下：提高用水效率加强节水、加强水资源规划管理、污水资源化等保护措施，同时也要兼顾生态环境的保护和与经济的协调发展。

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